刘凤君
　　
　　(中国航天二院北京100039)
　　
　　摘要:文中介绍了UPS绿色革命的改革方法和改进技巧。
　　
　　
　　21世纪是节能与环保的世纪,所谓UPS的绿色革命,其主要任务实际上就是要减少UPS对市电电网、负载和周围环境的谐波污染,提高UPS的电能变换效率。UPS对环境的污染主要是由谐波造成的。谐波是由UPS的市电输入整流器和交流输出逆变器产生的。因此,UPS产生的谐波是一种只能对环境造成污染而不能像基波那样在负载中做功的废能,这种废能是一种损耗,也会降低UPS的电能变换效率。例如当UPS的输出电压是180°的方波时,在输出电压波形中将包含有各种的奇次谐波,其波形畸变率将高达46%。也就是说在UPS的输出电能中有46%是不能被负载利用做功的废能,只有54%的基波电能被负载有效利用,这就说明,谐波造成的电能损耗比UPS电路的电阻热损耗、变换电路的开关损耗、UPS自用电损耗之和还大很多倍,是UPS产生电能损耗的主要根源。从这个意义上来说,谐波将是UPS绿色革命的主要对象。此外,UPS产生的谐波也与电能变换电路的型式及开关管的工作状态有关。硬开关比软开关产生的谐波大,开关损耗也大。因此,实现UPS绿色革命的主要方法有两个:一是要选择合适的电路型式与变换方式,以减小UPS产生的总谐波含量;二是将硬开关变换成ZVS软开关,以减少UPS的开关损耗。我们希望经过UPS绿色革命，使其输入电流和输出电压波形中的总谐波含量小于10%，UPS的总变换效率大于90%。在不附加任何滤波装置的条件下，能满足世界各国供电部门对谐波限制的严格要求。
　　
　　1 UPS的市电输入整流器
　　
　　UPS的市电输入整流器是对市电电网产生谐波污染的根源。产生谐波的多少取决于整流器的电路型式和换流方式。当前大功率三相UPS所采用的整流电路型式有两种:即多相多重叠加整流器和IGBT开关整流器。
　　
　　1.1多相多重叠加整流器
　　
　　大功率三相UPS常用的多相多重叠加整流器有12相二重叠加、18相三重叠加和24相四重叠加三种。这三种多相多重叠加整流器,都是采用多重叠加的方式消除市电输入电流中低次谐波的,相数越多消除的谐波越多,但电路和输入整流变压器的构造也越复杂,制造成本也越大。就技术实现的方
　　
　　法而言可以分为三种:
　　
　　(1)等幅多重叠加:这是一种只用相位不同进行多重叠加来消除谐波的。
　　
　　(2)变幅多重叠加:这是一种用相位不同和幅值不同两种方式进行多重叠加来消除谐波的,效果比等幅多重叠加好一些。
　　
　　(3)SCR变幅多重叠加:这是一种用相位不同、幅值不同和波形不同三种方式进行多重叠加来消除谐波的,效果比等幅多重叠加和变幅多重叠加都好。
　　　　

多相多重叠加整流器的参数如表1所示。从消除谐波的效果来看,SCR24相整流四重叠加整流器的消谐波能力最强,当控制角α<15°时,可以使市电的输入功率因数PF=0.9971·cos15°=0.963。为了简化输入整流变压器的结构,在12相二重叠加整流器中加入谐波注入电路如图1所示,

也可以达到24相四重叠加整流器的消谐波效果[2],谐波注入电路的功率只有整流器总容量的2%。其中图1(a)为整流桥串联的电路,图1(b)为整流桥并联的电路。图1(a)的注入电路是由变压器Tr(变比为1:k)及二极管VD1～VD4组成;图1(b)的注入电路是用平衡电抗器的次级和二极管VD1～VD4组成。
　　
　　谐波注入法的难点是变压器Tr的变比需用实验来确定。谐波注入式整流是一种代价小、收效大的巧妙的整流方法,下面简单介绍一下它的工作原理。谐波注入的原理是:由于整流桥Ⅰ和Ⅱ是串联或并联的,由于输入整流变压器的移相作用,使两个电流源的输出电流有效值相同,但电流瞬时值波形有30°的相位差。因此电路中的电流瞬时值是不相同的,有30°的相位偏移,故注入电路在整流器的输出端将会产生一个频率为6倍的从0到Ud的直流电压,此电压即为谐波注入电压。用这个电压注入后就会使整流器的市电输入电流成为24相四重叠加整流器的市电输入电流波形如图1(c)所示。这是一种代价小、收效大的巧妙方法。此法的难点是变压器Tr的变比需要通过试验确定。
　　
　　1.2IGBT开关整流器
　　
　　开关整流器的工作原理,早在20世纪80年代就出现了,但是由于没有合适的高频低损耗开关器件,故一直没有在UPS中得到应用,直到1995年前后,在高频低损耗大功率管IGBT大量应用的促使下,才开始在UPS中得到应用。
　　
　　适合于UPS应用的IGBT开关整流器有多种,仅在文献[1]中介绍的就有五种:即Boost三相半桥式开关整流器、传输电感反极性Boost开关整流器、三个双向开关两电平Boost整流器、三个开关三电平Boost整流器、四双向开关整流器等。其中典型的比较常用的是Boost三相半桥式开关整流器。
　　
　　三相半桥式BoostSPWM开关整流器的主电路如图2所示,其中图2(a)为主电路,图2(b)为等效Boost电路。主电路是按照Boost方式工作的电感输入型电路。其中VT1～VT6为主开关管,C和L为交流输入滤波器,L又兼做Boost储能电感。两个相同的直流电容Cd1=Cd2串联作为输出直流滤波电容。ua、ub、uc为市电三相交流电压,upa、upb、upc为各桥臂中点的二阶SPWM电压,ia为a相市电输入电流,id为直流输出电流,Ud为直流输出电压。主电路的Boost工作方式是:对于某一相电路来说,当输入电压为正半周时,注脚为双数的开关管导通,电感L储能;关断时,市电一方面通过本相注脚为单数的二极管和零线向直流电容Cd1充电,另一方面
　　
　　存储在电感L中的电能也通过相同的路径向直流电容Cd1充电;当输入电压为负半周时,注脚为单数的开关管导通,电感L反向储能;关断时,市电一方面通过本相注脚为双数的二极管和零线向电容Cd2充电,另一方面本相的储能电感L也通过相同的路径向直流电容Cd2充电。当主电路中的开关VT1～VT6轮流导通时,开关整流器各桥臂中点就可以得到相输出电压upa、upb、upc。
　　
　　三相半桥式BoostSPWM开关整流器的市电输入电流的双重傅里叶级数表示式,当载波比为F,调制系数为M,储能电感L的电抗为ωL=XL时
　　
　　其中幅值最大的低次谐波为F次谐波。
　　
　　三相半桥式BoostSPWM开关整流器的市电输入功率因数PF的值,与整流器的负载电阻RL、Boost储能电感L、调制度M、upa的基波电压upa1滞后于市电输入电压ua的相位角δ,开关频率fs等有关。当a=3M2RL/(8ωL)时,UPS系统参数之间的关系为
　　
　　1.3多相多重叠加整流器与IGBT开关整流器的比较
　　
　　多相多重叠加整流器的工作频率为市电工频,故称为工频整流器;IGBT开关整流器的工作频率为nkHz～20kHz的开关频率,故称为高频整流器。工频整流器与高频整流器的性能对比如表2所示。

工频整流器的优点是技术要求低,缺点是输入功率因数在0.95左右,输入谐波电流在7.5%以上,谐波含量偏大,整流效率偏低。必须采用输入整流变压器,因此体积重量较大;高频整流器的优点是输入功率因数在0.99以上,输入谐波电流小于5%,谐波含量小,整流效率较高,由于不用输入整流变压器，因此体积重量较小。当前UPS的发展方向是减小污染、提高效率、减小体积重量，因此高频整流器比工频整流器具有更大的发展前途，更能满足UPS绿色革命的要求，将会在UPS电路中大量应用。　　
　　(未完待续)

【红尘有你】